[发明专利]基于m面SiC衬底的半极性AlN薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于m面SiC图形衬底的半极性AlN薄膜，主要解决现有技术工艺复杂，制作周期长和费用高的问题。其自下而上包括：100‑500μm厚的m面SiC衬底层、20‑120nm厚的GaN成核层、1500‑5000nm厚的Al组分渐变AlGaN层和1000‑2500nm厚的半极性AlN层，其中m面SiC衬底层的表面设有由金刚石砂纸打磨形成的衬底条纹，以提高AlN材料的质量；Al组分渐变AlGaN层的Al组分从5％渐变至100％，用以降低AlN材料的应力。本发明的制备过程无需进行光刻，缩短了制作周期和减小费用成本，可用于制作半极性AlN基的紫外和深紫外半导体器件。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种半极性AlN薄膜的制备方法，可用于制作半极性AlN基的紫外和深紫外半导体器件。

技术背景

Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料，如AlN基、GaN基、InN基等半导体材料，它们的禁带宽度往往差异较大，比如AlN为6.2eV、GaN为3.42eV、InN为0.7eV，因此人们通常利用这些Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料形成各种异质结结构。特别是InGaN材料体系在蓝光LED上取得了巨大的成功，2014年赤崎勇、天野昊和中村修二因为在蓝光LED方面的巨大贡献而获得了诺贝尔物理学奖。此外，AlGaN体系的材料由于禁带宽度很大，发光波长很小，如果调节Ga和Al的比例，可以使发光波长覆盖到紫外和深紫外，由于这种特点，目前AlN相关的材料及器件是目前的研究热点。常规AlN材料主要是在极性c面Al₂O₃和SiC生长的，主要是利用其AlGaN/AlN异质结界面处的高密度和高电子迁移率的二维电子气来实现高电子迁移率晶体管。这种二维电子气是由于异质结中较大的导带不连续性以及较强的极化效应产生的，这种极化效应会导致量子限制斯塔克效应，在光电器件中有较大危害大。但在半极性AlN材料这种极化效应较弱，因此在半极性面制作LED有较为广阔的前景。SiC衬底材料由于和AlN之间具有更小的晶格失配，可以在SiC衬底上生长AlN材料，但SiC衬底和AlN之间依然有很高的热失配，生长的AlN材料质量依然很差。

为了减少缺陷，在SiC衬底生长高质量的AlN薄膜，许多研究者采用了不同的方法，参见HVPE growth of AlN on trench-patterned 6H-SiC substrate,Physical StatusSolidi C,8,2 467-469(2011)。这些方法生长的材料质量虽然有所提高，但工艺复杂，制作周期长且费用较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于m面SiC衬底的半极性AlN薄膜及其制备方法，以减小应力，简化工艺，缩短制作周期和减小费用成本。

为实现上述目的，本发明基于m面SiC简易图形衬底的半极性AlN薄膜，自下而上包括如下：m面SiC衬底层、GaN成核层、AlGaN层和半极性AlN层，其特征在于：

m面SiC衬底层的表面设有通过金刚石砂纸打磨形成的衬底条纹，以提高AlN材料的质量，

AlGaN层采用Al组分从0.01渐变至1的渐变AlGaN层，用以降低AlN材料的应力。

进一步，所述的GaN成核层厚度为20-120nm。

进一步，所述的渐变AlGaN层厚度为1500-5000nm。

进一步，所述的半极性AlN层厚度为1000-2500nm。

为实现上述目的，本发明基于m面SiC衬底的半极性AlN薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)衬底打磨

将m面SiC衬底水平放置，再将金刚石砂纸放置在衬底表面，在金刚石砂纸上施加1-15牛顿的力对m面SiC衬底进行平行打磨，打磨出平行于SiC衬底基准边的条纹图案或垂直于SiC衬底基准边的条纹图案；